電源單元(PSU)是任何電子產(chǎn)品設(shè)計的重要組成部分。大多數(shù)家用電子產(chǎn)品，如移動充電器、藍牙揚聲器、充電寶、智能手表等，都需要一個電源電路，可以將交流電源轉(zhuǎn)換為5V直流電源來運行它們。在這個項目中，我們將構(gòu)建一個類似的交流直流電源電路，額定功率為10W。也就是說，我們的電路將把220V的交流電源轉(zhuǎn)換為5V，并提供最大輸出電流達2A。這個額定功率應(yīng)該足以為大多數(shù)以5V電壓運行的電子產(chǎn)品供電。此外，5V 2A SMPS電路在電子產(chǎn)品中非常受歡迎，因為有很多微控制器在5V上運行。
該項目的想法是保持盡可能簡單的構(gòu)建，因此我們將在一個點狀板(穿孔板)上設(shè)計完整的電路，并且還將構(gòu)建我們自己的變壓器，以便任何人都可以復(fù)制這個設(shè)計或構(gòu)建類似的。興奮吧!讓我們開始吧。以前我們還使用PCB構(gòu)建了一個12V 15W SMPS電路，因此對如何為PSU項目(電源單元)設(shè)計PCB感興趣的人也可以檢查。
5V 2A SMPS電路-設(shè)計規(guī)范
不同種類的電源在不同的環(huán)境下表現(xiàn)不同。此外，SMPS在特定的輸入輸出邊界中工作。在進行實際設(shè)計之前，需要執(zhí)行適當(dāng)?shù)囊?guī)范分析。
輸入規(guī)格:
這將是一個交流到直流轉(zhuǎn)換域的SMPS。因此，輸入將是交流的。對于輸入電壓值，最好使用SMPS的通用輸入額定值。因此，交流電壓為85-265VAC，額定50Hz。這樣，SMPS可以在任何國家使用，而不管他們的交流電源電壓值。
輸出規(guī)范:
輸出電壓選擇5V，額定電流2A。因此，它將是10W輸出。由于無論負(fù)載電流如何，該SMPS都將提供恒定電壓，因此它將在CV(恒定電壓)模式下工作。即使在輸出端最大負(fù)載(2A)期間的最低輸入電壓下，5V的輸出電壓也應(yīng)該是恒定和穩(wěn)定的。
人們非常希望一個好的電源單元的紋波電壓小于30mV pk-pk。該SMPS的目標(biāo)紋波電壓峰值紋波小于30mV。由于該SMPS將使用手工開關(guān)變壓器在veroboard中構(gòu)建，我們可以預(yù)期波紋值略高。這個問題可以通過使用PCB來避免。
保護功能:
SMPS中有各種各樣的保護電路，可以用于安全可靠的操作。保護電路保護SMPS以及相關(guān)負(fù)載。根據(jù)類型的不同，保護電路可以跨輸入或跨輸出連接。
對于該SMPS，輸入浪涌保護將在最大工作輸入電壓為275VAC時使用。此外，為了處理EMI問題，將使用共模濾波器來消除產(chǎn)生的EMI。在輸出端，我們將包括短路保護、過壓保護和過流保護。
電源管理IC的選擇
每個SMPS電路都需要一個電源管理IC，也稱為開關(guān)IC或SMPS IC或德里亞IC。讓我們總結(jié)設(shè)計考慮因素，以選擇適合我們設(shè)計的理想電源管理IC。我們的設(shè)計要求是
1.10 w的輸出。5V 2A滿載時。
2.通用輸入額定。85-265VAC, 50Hz
3.輸入防雷保護。最大輸入電壓275VAC。
4.輸出短路、過壓、過流保護。
5.恒壓操作。
從上述要求中有廣泛的ic可供選擇，但對于這個項目，我們選擇了電源集成。功率集成是一家半導(dǎo)體公司，擁有各種功率輸出范圍的各種功率驅(qū)動ic。根據(jù)需求和可用性，我們決定使用微型開關(guān)II系列的TNY268PN。我們以前曾使用此IC在PCB上構(gòu)建12V SMPS電路。
在上圖中，最大功率為15W。然而，我們將使SMPS在開放幀和通用輸入額定值。在此段中，TNY268PN可提供15W輸出。讓我們看看引腳圖。
5v 2Amp SMPS電路的設(shè)計
構(gòu)建5V 2A SMPS原理圖的最佳方法是使用Power integration的PI專家軟件。下載PI專家軟件，使用8.6版本。是一款優(yōu)秀的電源設(shè)計軟件。下面所示的電路是使用Power Integration的PI專家軟件構(gòu)建的。如果您是這個軟件的新手，您可以參考這個12V SMPS電路的設(shè)計部分來了解如何使用該軟件。
在直接構(gòu)建原型部分之前，讓我們探索5v 2A SMPS電道圖及其操作。
電路有以下幾個部分-
?輸入浪涌和SMPS故障保護
?交直流轉(zhuǎn)換
?π過濾器
?驅(qū)動電路或開關(guān)電路
?欠壓閉鎖保護。
?鉗位電路。
?磁學(xué)和電流隔離。
?EMI濾波器
?二次整流器和緩沖電路
?過濾部分
?反饋部分。
輸入浪涌和SMPS故障保護：
本節(jié)由F1和RV1兩部分組成。F1是1A 250VAC慢熔保險絲，RV1是7mm 275V MOV(金屬氧化物壓敏電阻)。在高壓浪涌期間(超過275VAC)， MOV變得死短并擊穿輸入保險絲。然而，由于慢熔特性，保險絲可以承受通過SMPS的浪涌電流。
交直流轉(zhuǎn)換:
這部分由二極管橋控制。這四個二極管(DB107內(nèi)部)構(gòu)成一個全橋整流器。二極管是1N4006，但標(biāo)準(zhǔn)的1N4007可以完美地完成這項工作。在這個項目中，這四個二極管被一個全橋整流器DB107取代。
π過濾器:
不同的州有不同的電磁干擾抑制標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計符合en61000 3類標(biāo)準(zhǔn)，PI濾波器設(shè)計以降低共模EMI抑制。本節(jié)是使用C1、C2和L1創(chuàng)建的。C1和C2是400V 18uF電容器。這是一個奇數(shù)值，所以22uF 400V選擇用于此應(yīng)用。L1是一個共模扼流圈，需要差分EMI信號來抵消兩者。
驅(qū)動電路或開關(guān)電路：
它是SMPS的核心。變壓器一次側(cè)由開關(guān)電路TNY268PN控制。開關(guān)頻率為120-132khz。由于這種高開關(guān)頻率，可以使用較小的變壓器。開關(guān)電路由U1和C3兩部分組成。U1是主要驅(qū)動IC TNY268PN。C3是我們的驅(qū)動IC工作所需的旁路電容器。
欠壓閉鎖保護：
欠壓閉鎖保護由感測電阻R1和R2完成。當(dāng)SMPS進入自動重啟模式并檢測線路電壓時使用。R1和R2的值是通過PI Expert工具生成的。兩個電阻串聯(lián)是一種安全措施，也是避免電阻失效問題的良好做法。因此，在串聯(lián)中使用兩個1M電阻而不是2M電阻。
鉗位電路:
D1和D2為箝位電路。D1是TVS二極管，D2是超快速恢復(fù)二極管。變壓器在功率驅(qū)動IC TNY268PN上充當(dāng)巨大的電感器。因此，在開斷周期期間，由于變壓器的漏感，變壓器會產(chǎn)生高電壓尖峰。這些高頻電壓尖峰被變壓器上的二極管鉗位抑制。由于恢復(fù)速度超快，選擇了UF4007，電視機操作選擇了P6KE200A。根據(jù)設(shè)計，目標(biāo)箝位電壓(VCLAMP)為200V。因此，我們選擇P6KE200A，對于超快速阻塞的相關(guān)問題，我們選擇UF4007作為D2。
磁學(xué)和電流隔離：
變壓器是一種鐵磁變壓器，它不僅將高壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓交流電，而且還提供電流隔離。
EMI濾波器:
電磁干擾濾波是由C4電容完成的。提高了電路的抗擾度，降低了高電磁干擾。y級電容器，額定電壓為2kV。
二次整流和緩沖電路：
變壓器的輸出通過肖特基整流二極管D6進行整流并轉(zhuǎn)換為直流電。橫跨D6的緩沖電路在開關(guān)操作期間提供電壓瞬態(tài)抑制。緩沖電路由一個電阻和一個電容、R3和C5組成。
過濾部分:
所述濾波部分包括濾波電容器C6。它是一個低ESR電容更好的紋波抑制。此外，使用L2和C7的LC濾波器在輸出端提供更好的紋波抑制。
反饋部分:
輸出電壓由U3 TL431和R6、R7檢測。在感應(yīng)到線路U2后，對光耦合器進行控制，并將次級反饋感應(yīng)部分與主側(cè)控制器進行電隔離。光耦合器內(nèi)部有一個晶體管和一個LED。通過控制LED，可以控制晶體管。由于通信是通過光學(xué)進行的，因此沒有直接的電連接，因此也滿足了反饋電路上的電流隔離。
現(xiàn)在，由于LED直接控制晶體管，通過在光電耦合器LED上提供足夠的偏置，可以控制光電耦合器晶體管，更具體地說是驅(qū)動電路。該控制系統(tǒng)采用TL431單片機。分流穩(wěn)壓器。由于分流穩(wěn)壓器在其參考引腳上有一個電阻分壓器，它可以控制連接在其上的光耦合器led。反饋引腳的參考電壓為2.5V。因此，TL431只有在分壓器上的電壓足夠時才能被激活。在我們的例子中，分壓器被設(shè)置為5V的值。因此，當(dāng)輸出達到5V時，TL431通過參考引腳獲得2.5V，從而激活光耦合器的LED，該LED控制光耦合器的晶體管并間接控制TNY268PN。如果輸出端的電壓不足，則開關(guān)周期立即中止。
首先，TNY268PN激活開關(guān)的第一個周期，然后檢測其EN引腳。如果一切正常，它將繼續(xù)切換，如果不正常，它將在一段時間后再次嘗試。這個循環(huán)一直持續(xù)到一切正常，從而防止短路或過電壓問題。這就是為什么它被稱為反激拓?fù)?，因為輸出電壓被飛回驅(qū)動器的傳感相關(guān)操作。同樣，嘗試循環(huán)也被稱為故障條件下的hiccup操作模式。
D3是一個肖特基勢壘二極管。這個二極管將高頻交流輸出轉(zhuǎn)換成直流輸出。選用3A 60V肖特基二極管，工作可靠。R4和R5由PI Expert選擇和計算。它創(chuàng)建了一個分壓器，并將電流從TL431傳遞到光耦合器LED。
R6和R7是一個簡單的分壓器，計算公式TL431 REF電壓= (Vout x R7) / R6 + R7。參考電壓為2.5V， Vout為12V。選取R6的值為23.7k，則R7約為9.09k。
為我們的SMPS電路構(gòu)建開關(guān)變壓器
對于SMPS電路，通常需要一個開關(guān)變壓器，這些變壓器可以根據(jù)您的設(shè)計要求從變壓器制造商處采購。但這里的問題是，如果你學(xué)習(xí)制作原型的知識，你就找不到適合你設(shè)計的現(xiàn)成變壓器。因此，我們將學(xué)習(xí)如何根據(jù)我們的PI專家軟件給出的設(shè)計要求構(gòu)建開關(guān)變壓器。
讓我們看看生成的變壓器結(jié)構(gòu)圖。
如上圖所示，我們需要在主側(cè)使用單個32 AWG線103圈，在次側(cè)使用兩個25 AWG線5圈。
在上圖中，繞組的起點和繞組的方向被描述為一個力學(xué)圖。要制造這個變壓器，需要下列東西
?EE19核心，NC-2H或同等規(guī)格，ALG 79 nH/T2的間隙
?在主側(cè)和次側(cè)用5個針筒子。
?阻隔帶厚度為1密耳。需要9mm寬的膠帶。
?32 AWG可焊包漆銅線。
?25AWG可焊包漆銅線。
?電感電容電阻測量計。
要求具有NC-2H的EE19芯，間隙芯為79nH/T2;一般來說，它是成對的。筒子是一個通用的一個有4個主要針和5個次要針。然而，這里線軸與5針在兩側(cè)使用。
對于屏障膠帶，使用標(biāo)準(zhǔn)管道膠帶，其基礎(chǔ)厚度超過1mil(通常為2mil)。在敲擊相關(guān)活動中，使用剪刀將膠帶剪斷以達到完美的寬度。銅線是從舊變壓器采購的，也可以從當(dāng)?shù)厣痰曩徺I。我正在使用的芯和線軸如下所示
第一步：在主側(cè)的第1和第5引腳添加焊料。焊接32 AWG線在引腳5和繞線方向是順時針。繼續(xù)到103轉(zhuǎn)，如下圖所示
這形成了我們變壓器的初級側(cè)，一旦103匝繞組完成，我的變壓器看起來像下面這樣。
第二步：使用管道膠帶絕緣，需要3圈管道膠帶。它也有助于保持線圈的位置
第三步：從引腳9和引腳10啟動次級繞組。二次側(cè)使用兩股25AWG漆包銅線制成。焊接一個銅線引腳9和另一個引腳10。繞線方向還是順時針。繼續(xù)到5轉(zhuǎn)，焊接引腳5和6的結(jié)尾。使用與之前相同的管道膠帶添加絕緣膠帶。
一旦初級和次級繞組完成和管道膠帶被使用，我的變壓器看起來像如下所示
第四步：現(xiàn)在我們可以用管道膠帶牢牢地固定兩個核心。完成后，完成的變壓器應(yīng)該如下所示。
第五步：還要確保把管道膠帶并排包裹起來。這將減少高密度通量傳遞過程中的振動。
完成上述步驟后，使用LCR表對變壓器進行測試，如下圖所示。儀表顯示1.125 mH或1125 uh電感。
SMPS電路的構(gòu)建：
一旦變壓器準(zhǔn)備好了，我們就可以繼續(xù)在虛線板上組裝其他組件。電路所需的零件詳細(xì)信息可在下面的材料清單中找到
一旦組件焊接我的板看起來像這樣。
測試5V 2A SMPS電路
為了測試電路，我通過VARIAC將輸入側(cè)連接到主電源，以控制輸入交流電源電壓。85VAC和230VAC的輸出電壓如下圖所示
正如您在這兩個實例中看到的，輸出電壓保持在5V。但后來我把輸出連接到我的瞄準(zhǔn)鏡上，檢查是否有波紋。紋波測量如下所示
輸出紋波相當(dāng)高，它顯示150mV pk-pk紋波輸出。這對于電源電路來說是完全不好的。根據(jù)分析，高紋波是由以下因素造成的
?PCB設(shè)計不當(dāng)。
?地面彈跳問題。
?PCB散熱器不正常。
?沒有切斷嘈雜的供電線路。
由于手動繞組，增加了變壓器的公差。變壓器制造商在機器繞組期間使用浸漬清漆，以提高變壓器的穩(wěn)定性。
如果將電路轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)腜CB，我們可以期望電源的紋波輸出在50mV pk-pk內(nèi)，即使使用手動繞組變壓器。然而，由于veroboard并不是一個安全的選擇，使開關(guān)模式電源在交直流域，它不斷地被建議，在實際應(yīng)用高壓電路之前，必須建立適當(dāng)?shù)腜CB。
本文編譯自circuitdigest
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